DE102022134769A1 - DEVICE AND METHOD FOR PRODUCING A THREE-DIMENSIONAL WORKPIECE - Google Patents
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Abstract
Eine Einrichtung (10) zum Herstellen eines dreidimensionalen Werkstücks umfasst eine Prozesskammer (12), einen Träger (14), der konfiguriert ist, um ein Rohstoffpulver aufzunehmen, eine Bestrahlungsvorrichtung (16), die konfiguriert ist, um das Rohstoffpulver auf dem Träger (14) selektiv mit elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung zu bestrahlen, um aus dem Rohstoffpulver durch ein additives Schichtbauverfahren ein Werkstück herzustellen, ein Transmissionselement (18), das konfiguriert ist, um den Eintrag der von der Bestrahlungsvorrichtung (16) emittierten elektromagnetischen Strahlung oder Teilchenstrahlung in die Prozesskammer (12) zu ermöglichen, eine Gaszufuhrvorrichtung (26), die konfiguriert ist, um der Prozesskammer (12) Gas zuzuführen, und mindestens einen Gaseinlass (28, 32) umfasst, eine Gasabfuhrvorrichtung (34), die konfiguriert ist, um Gas aus der Prozesskammer (12) abzuführen, und mindestens einen Gasauslass (36) umfasst, und eine Strömungsfalle (44), die konfiguriert ist, um Gas, das partikelförmige Verunreinigungen enthält, in einem Strömungsfallenbereich (46) einzufangen, der in Bezug auf eine Strömungsrichtung (D) des Gases, das über den mindestens einen Gaseinlass (28, 32) in die Prozesskammer (12)eintritt, stromabwärts des Transmissionselements (18) angeordnet ist.A device (10) for producing a three-dimensional workpiece comprises a process chamber (12), a carrier (14) configured to receive a raw material powder, an irradiation device (16) configured to selectively irradiate the raw material powder on the carrier (14) with electromagnetic radiation or particle radiation in order to produce a workpiece from the raw material powder by an additive layer construction process, a transmission element (18) configured to enable the electromagnetic radiation or particle radiation emitted by the irradiation device (16) to enter the process chamber (12), a gas supply device (26) configured to supply gas to the process chamber (12) and comprising at least one gas inlet (28, 32), a gas discharge device (34) configured to discharge gas from the process chamber (12) and comprising at least one gas outlet (36), and a flow trap (44) configured to discharge gas containing particulate contaminants. in a flow trap region (46) which is arranged downstream of the transmission element (18) with respect to a flow direction (D) of the gas entering the process chamber (12) via the at least one gas inlet (28, 32).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Werkstücks durch Bestrahlen von Rohstoffpulverschichten mit elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Werkstücks.The present invention relates to a device for producing a three-dimensional workpiece by irradiating raw material powder layers with electromagnetic radiation or particle radiation. The invention further relates to a method for producing a three-dimensional workpiece.
Die Pulverbettfusion ist ein additives Schichtbauverfahren, durch das pulverförmige, insbesondere metallische und/oder keramische Rohstoffe zu dreidimensionalen Werkstücken mit komplexen Formen verarbeitet werden können. Hierzu wird eine Rohstoffpulverschicht auf einen Träger aufgebracht und in Abhängigkeit der gewünschten Geometrie des herzustellenden Werkstücks elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung ausgesetzt. Die in die Pulverschicht eindringende elektromagnetische Strahlung oder Teilchenstrahlung bewirkt eine Erwärmung und folglich Schmelzen oder Sintern der Rohstoffpartikel. Weitere Rohstoffpulverschichten werden dann nacheinander auf die Schicht auf dem Träger aufgebracht, der bereits einer Strahlungsbehandlung unterzogen wurde, bis das Werkstück die gewünschte Form und Größe aufweist. Pulverbettfusionsverfahren können insbesondere zur Herstellung von Prototypen, Werkzeugen, Ersatzteilen oder medizinischen Prothesen auf der Basis von CAD-Daten verwendet werden.Powder bed fusion is an additive layer construction process by which powdered, particularly metallic and/or ceramic raw materials can be processed into three-dimensional workpieces with complex shapes. For this purpose, a raw material powder layer is applied to a carrier and exposed to electromagnetic radiation or particle radiation depending on the desired geometry of the workpiece to be produced. The electromagnetic radiation or particle radiation penetrating the powder layer causes heating and consequently melting or sintering of the raw material particles. Further raw material powder layers are then applied one after the other to the layer on the carrier, which has already been subjected to radiation treatment, until the workpiece has the desired shape and size. Powder bed fusion processes can be used in particular to produce prototypes, tools, spare parts or medical prostheses based on CAD data.
Schweißrauch, der bei einem Pulverbettfusionsprozess beim Bestrahlen und folglich Schmelzen eines Rohstoffpulvers erzeugt wird, kann das Innere einer Prozesskammer und auch Komponenten eines Bestrahlungssystems wie beispielsweise eine Linse oder ein Fenster, durch die ein Strahlungsstrahl in die Prozesskammer geleitet wird, kontaminieren. Infolgedessen kann ein gradueller zunehmender Teil der von dem Bestrahlungssystem emittierten Strahlungsenergie durch abgeschiedenes Schweißrauchkondensatmaterial absorbiert werden.Welding fumes generated during a powder bed fusion process when irradiating and subsequently melting a raw material powder can contaminate the interior of a process chamber and also components of an irradiation system such as a lens or window through which a radiation beam is directed into the process chamber. As a result, a gradually increasing portion of the radiant energy emitted by the irradiation system can be absorbed by deposited welding fume condensate material.
Eine Einrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Werkstücks durch einen Pulverbettfusionsprozess, bei dem die Absorption von Strahlungsenergie, die von dem Bestrahlungssystem emittiert wird, durch auf die Oberfläche des Transmissionselements abgeschiedenes Schweißrauchkondensatmaterial reduziert werden kann, ist in
Ein Gaseinlass umfasst eine plattenförmige, gasdurchlässige, poröse Komponente, die in einem Bereich einer ersten Seitenwand der Prozesskammer angeordnet ist. Eine zweite Seitenwand der Prozesskammer, die gegenüber der ersten Seitenwand angeordnet ist, nimmt einen Gasauslass auf. Der Gaseinlass und der Gasauslass sind so konfiguriert und angeordnet, dass ein erster Gasstrom eines Schutzgasstroms erzeugt wird. Der erste Gasstrom weist eine Strömungsrichtungskomponente auf, die von dem Transmissionselement abgewandt ist. In der ersten Seitenwand der Prozesskammer ist in einem Bereich unterhalb der gasdurchlässigen porösen Komponente des Gaseinlasses ein weiterer Gaseinlass angeordnet. Der weitere Gaseinlass und der Gasauslass sind so konfiguriert und angeordnet, dass ein zweiter Gasstrom des Schutzgasstroms erzeugt wird. Der zweite Gasstrom ist im Wesentlichen parallel zu dem Träger gerichtet, um sicherzustellen, dass in der Prozesskammer erzeugte partikelförmige Verunreinigungen beim Bestrahlen des Rohstoffpulvers auf dem Träger mit elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung aus der Prozesskammer gespült werden.A gas inlet comprises a plate-shaped, gas-permeable, porous component arranged in a region of a first side wall of the process chamber. A second side wall of the process chamber, arranged opposite the first side wall, accommodates a gas outlet. The gas inlet and the gas outlet are configured and arranged such that a first gas flow of a protective gas flow is generated. The first gas flow has a flow direction component facing away from the transmission element. In the first side wall of the process chamber, a further gas inlet is arranged in a region below the gas-permeable porous component of the gas inlet. The further gas inlet and the gas outlet are configured and arranged such that a second gas flow of the protective gas flow is generated. The second gas flow is directed substantially parallel to the carrier to ensure that particulate contaminants generated in the process chamber are flushed out of the process chamber when the raw material powder on the carrier is irradiated with electromagnetic radiation or particle radiation.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Werkstücks durch Bestrahlen von Schichten eines Rohstoffpulvers mit elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung bereitzustellen, bei denen besonders stabile Betriebsbedingungen während der Betriebszeit aufrechterhalten werden können und somit hochwertige Werkstücke hergestellt werden können.The present invention is based on the object of providing a device and a method for producing a three-dimensional workpiece by irradiating layers of a raw material powder with electromagnetic radiation or particle radiation, in which particularly stable operating conditions can be maintained during the operating time and thus high-quality workpieces can be produced.
Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 14 gelöst.This object is achieved by a device according to claim 1 and a method according to claim 14.
Eine Einrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Werkstücks umfasst eine Prozesskammer. Ferner umfasst die Einrichtung einen Träger, der konfiguriert ist, um ein Rohstoffpulver aufzunehmen. Der Träger kann in der Prozesskammer aufgenommen sein. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Prozesskammer über den Träger bewegbar ist. Der Träger kann ein starr befestigter Träger mit einer Oberfläche sein, auf die das Rohstoffpulver aufgebracht wird, um elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung ausgesetzt zu werden. Vorzugsweise ist der Träger jedoch in vertikaler Richtung verschiebbar ausgebildet, so dass der Träger mit zunehmender Bauhöhe eines Werkstücks, während es schichtweise aus dem Rohstoffpulver aufgebaut wird, in vertikaler Richtung nach unten bewegt werden kann. Das auf den Träger in der Prozesskammer aufgebrachte Rohstoffpulver ist vorzugsweise ein metallisches Pulver, insbesondere ein Metalllegierungspulver, es kann aber auch ein Keramikpulver oder ein Pulver sein, das unterschiedliche Materialien enthält. Das Pulver kann eine beliebige geeignete Partikelgröße oder Partikelgrößenverteilung aufweisen. Es ist jedoch bevorzugt, Pulver mit Partikelgrößen von < 100 µm zu verarbeiten.A device for producing a three-dimensional workpiece comprises a process chamber. The device further comprises a carrier which is configured to receive a raw material powder. The carrier can be accommodated in the process chamber. However, it is also conceivable that the process chamber is movable over the carrier. The carrier can be a rigidly attached carrier with a surface to which the raw material powder is applied in order to be exposed to electromagnetic radiation or particle radiation. Preferably, however, the carrier is designed to be displaceable in the vertical direction, so that the carrier can be moved downwards in the vertical direction as the height of a workpiece increases while it is being built up layer by layer from the raw material powder. The raw material powder applied to the carrier in the process chamber is preferably a metallic powder, in particular a metal alloy powder, but it can also be a ceramic powder or a powder containing different materials. The powder can have any suitable particle size or particle size distribution. However, it is preferred to process powders with particle sizes of < 100 µm.
Die Einrichtung umfasst ferner eine Bestrahlungsvorrichtung, die konfiguriert ist, um das Rohstoffpulver auf dem Träger selektiv mit elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung zu bestrahlen, um aus dem Rohstoffpulver durch ein additives Schichtbauverfahren ein Werkstück herzustellen. Mittels der Bestrahlungsvorrichtung kann das auf den Träger aufgebrachte Rohstoffpulver ortsselektiv in Abhängigkeit der gewünschten Geometrie des herzustellenden Werkstücks elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung ausgesetzt werden. Die Bestrahlungsvorrichtung kann eine Strahlungsstrahlquelle, insbesondere eine Laserstrahlquelle, umfassen und zusätzlich eine optische Einheit zum Führen und/oder Verarbeiten eines von der Strahlungsstrahlquelle emittierten Strahlungsstrahls umfassen. Die optische Einheit kann optische Elemente wie eine Objektlinse und eine Scannereinheit umfassen, wobei die Scannereinheit vorzugsweise ein diffraktives optisches Element und einen Ablenkspiegel umfasst.The device further comprises an irradiation device that is configured to selectively irradiate the raw material powder on the carrier with electromagnetic radiation or particle radiation in order to produce a workpiece from the raw material powder by an additive layer construction process. By means of the irradiation device, the raw material powder applied to the carrier can be exposed to electromagnetic radiation or particle radiation in a location-selective manner depending on the desired geometry of the workpiece to be produced. The irradiation device can comprise a radiation beam source, in particular a laser beam source, and additionally comprise an optical unit for guiding and/or processing a radiation beam emitted by the radiation beam source. The optical unit can comprise optical elements such as an object lens and a scanner unit, wherein the scanner unit preferably comprises a diffractive optical element and a deflection mirror.
Darüber hinaus ist die Einrichtung mit einem Transmissionselement versehen, das konfiguriert ist, um den Eintrag der von der Bestrahlungsvorrichtung emittierten elektromagnetischen Strahlung oder Teilchenstrahlung in die Prozesskammer zu ermöglichen. Das Transmissionselement kann beispielsweise in Form eines Fensters ausgebildet sein. Alternativ kann das Transmissionselement ein optisches Element, insbesondere eine Linse der Bestrahlungsvorrichtung umfassen oder daraus bestehen.In addition, the device is provided with a transmission element that is configured to allow the electromagnetic radiation or particle radiation emitted by the irradiation device to enter the process chamber. The transmission element can be designed in the form of a window, for example. Alternatively, the transmission element can comprise or consist of an optical element, in particular a lens of the irradiation device.
Das Material des Transmissionselements kann in Abhängigkeit von der Art der von der Bestrahlungsvorrichtung emittierten Strahlung ausgewählt sein, um die gewünschte Durchlässigkeit des Transmissionselements für die von der Bestrahlungsvorrichtung emittierte elektromagnetische Strahlung oder Teilchenstrahlung sicherzustellen. Ferner sollte das Material des Transmissionselements so ausgewählt sein, dass das Transmissionselement den thermischen Belastungen standhalten kann, die während des Betriebs der Einrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Werkstücks auf das Transmissionselement wirken. Beispielsweise kann das Transmissionselement aus einem Glasmaterial oder einem geeigneten Polymermaterial hergestellt sein. Falls gewünscht, kann das Transmissionselement im Bereich einer dem Innenraum der Prozesskammer zugewandten Oberfläche mit einer Oberflächenschicht versehen sein, welche die Anhaftung und Ablagerung von Schweißrauchkondensat an/auf der Oberfläche des Transmissionselements minimiert.The material of the transmission element can be selected depending on the type of radiation emitted by the irradiation device in order to ensure the desired permeability of the transmission element for the electromagnetic radiation or particle radiation emitted by the irradiation device. Furthermore, the material of the transmission element should be selected such that the transmission element can withstand the thermal loads that act on the transmission element during operation of the device for producing a three-dimensional workpiece. For example, the transmission element can be made of a glass material or a suitable polymer material. If desired, the transmission element can be provided with a surface layer in the region of a surface facing the interior of the process chamber, which minimizes the adhesion and deposition of welding fume condensate on/on the surface of the transmission element.
Die Einrichtung ist ferner mit einer Gaszufuhrvorrichtung versehen. Die Gaszufuhrvorrichtung ist konfiguriert, um der Prozesskammer Gas zuzuführen, und umfasst mindestens einen Gaseinlass. Vorzugsweise umfasst die Gaszufuhrvorrichtung einen ersten Gaseinlass, der durch eine plattenförmige, gasdurchlässige, poröse Komponente definiert ist, die in einem Bereich einer ersten Seitenwand der Prozesskammer angeordnet ist, und einen zweiten Gaseinlass, der in der ersten Seitenwand der Prozesskammer in einem Bereich unterhalb des ersten Gaseinlasses angeordnet ist, wie beispielsweise in
Ferner umfasst die Einrichtung eine Gasabfuhrvorrichtung. Die Gasabfuhrvorrichtung ist konfiguriert, um Gas aus der Prozesskammer abzuführen, und umfasst mindestens einen Gasauslass. Der Gasauslass kann in einer zweiten Seitenwand der Prozesskammer angeordnet sein, die gegenüber der den Gaseinlass/die Gaseinlässe aufnehmenden ersten Seitenwand angeordnet ist.The device further comprises a gas removal device. The gas removal device is configured to remove gas from the process chamber and comprises at least one gas outlet. The gas outlet can be arranged in a second side wall of the process chamber, which is arranged opposite the first side wall receiving the gas inlet(s).
Die Gaszufuhrvorrichtung und die Gasabfuhrvorrichtung sind vorzugsweise konfiguriert, um einen Schutzgasstrom in der Prozesskammer zu erzeugen. Insbesondere können der erste Gaseinlass der Gaszufuhrvorrichtung und der Gasauslass derart konfiguriert und angeordnet sein, dass ein erster Gasstrom des Schutzgasstroms erzeugt wird, der eine von dem Transmissionselement abgewandte Strömungsrichtungskomponente aufweist und somit das Transmissionselement vor Kontamination durch Verunreinigungen, wie beispielsweise Pulverpartikel oder Schweißrauch schützt, die von dem auf den Träger aufgebrachten Rohstoffpulver bei der Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung aufsteigen. Der zweite Gaseinlass und der Gasauslass können derart konfiguriert und angeordnet sein, dass ein zweiter Gasstrom des Schutzgasstroms erzeugt wird, der im Wesentlichen parallel zu dem Träger gerichtet ist und somit sicherstellt, dass partikelförmige Verunreinigungen, die bei Bestrahlung des Rohstoffpulvers auf dem Träger mit elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung erzeugt werden, aus der Prozesskammer gespült werden.The gas supply device and the gas discharge device are preferably configured to generate a protective gas flow in the process chamber. In particular, the first gas inlet of the gas supply device and the gas outlet can be configured and arranged such that a first gas flow of the protective gas flow is generated which has a flow direction component facing away from the transmission element and thus protects the transmission element from contamination by impurities, such as powder particles or welding fumes, which rise from the raw material powder applied to the carrier when irradiated with electromagnetic radiation or particle radiation. The second gas inlet and the gas outlet can be configured and arranged such that a second gas flow of the protective gas flow is generated which is directed substantially parallel to the carrier and thus ensures that particulate impurities which arise when the raw material powder on the carrier is irradiated with electromagnetic radiation or particle radiation are flushed out of the process chamber.
Eine Strömungsquerschnittsfläche des mindestens einen Gasauslasses der Gasabfuhrvorrichtung kann kleiner als eine Strömungsquerschnittsfläche der Prozesskammer sein, sodass ein in der Prozesskammer herrschender statischer Druck höher ist als ein statischer Druck, der in der Gasabfuhrvorrichtung stromabwärts des mindestens einen Gasauslasses vorherrscht. Zum Beispiel kann ein statischer Druck in der Prozesskammer etwa 20 mbar betragen, während ein statischer Druck in der Gasabfuhrvorrichtung stromabwärts des mindestens einen Gasauslasses < 20 mbar betragen kann.A flow cross-sectional area of the at least one gas outlet of the gas discharge device can be smaller than a flow cross-sectional area of the process chamber, so that a static pressure prevailing in the process chamber is higher than a static pressure prevailing in the gas discharge device downstream of the at least one gas outlet. For example, a static pressure in the process chamber can be approximately 20 mbar, while a static pressure in the gas discharge device downstream of the at least one gas outlet can be <20 mbar.
Eine Rezirkulationsleitung kann den Gasauslass mit dem Gaseinlass/den Gaseinlässen verbinden, um zu ermöglichen, dass Gas, das über den Gasauslass aus der Prozesskammer austritt, über den Gaseinlass/die Gaseinlässe in die Prozesskammer zurückgeführt wird. Um partikelförmige Verunreinigungen aus dem aus der Prozesskammer abgeführten Gas vor der Rückführung des Gases in die Prozesskammer zu entfernen, kann in der Rezirkulationsleitung eine geeignete Filteranordnung vorgesehen sein. Ferner kann in der Rezirkulationsleitung eine geeignete Fördervorrichtung, beispielsweise eine Pumpe oder ein Gebläse, zum Zuführen von Gas in die und zum Abführen von Gas aus der Prozesskammer vorgesehen sein.A recirculation line may connect the gas outlet to the gas inlet(s) to enable gas exiting the process chamber via the gas outlet to be returned to the process chamber via the gas inlet(s). In order to remove particulate contaminants from the gas discharged from the process chamber before the gas is returned to the process chamber, a suitable filter arrangement may be provided in the recirculation line. Furthermore, a suitable conveying device, for example a pump or a blower, may be provided in the recirculation line for supplying gas to and discharging gas from the process chamber.
Die Einrichtung ist ferner mit einer Strömungsfalle ausgestattet, die konfiguriert ist, um Gas, das partikelförmige Verunreinigungen enthält, in einem Strömungsfallenbereich einzufangen. In Bezug auf eine Strömungsrichtung des Gases, das über den mindestens einen Gaseinlass in die Prozesskammer eintritt ist der Strömungsfallenbereich stromabwärts des Transmissionselements angeordnet. Im Kontext der vorliegenden Anmeldung definiert der Begriff „Strömungsfalle“ jede Vorrichtung oder jedes Mittel, die/das konfiguriert ist, um Gas, das partikelförmige Verunreinigungen enthält, für eine begrenzte oder unbegrenzte Retentionszeit in dem Strömungsfallenbereich zurückzuhalten oder „einzufangen“, so dass sich die partikelförmigen Verunreinigungen in dem Strömungsfallenbereich ansammeln. Dies kann beispielsweise durch eine kontrollierte Manipulation und/oder Abbremsung der Strömung erreicht werden.The device is further equipped with a flow trap configured to capture gas containing particulate contaminants in a flow trap region. With respect to a flow direction of the gas entering the process chamber via the at least one gas inlet, the flow trap region is arranged downstream of the transmission element. In the context of the present application, the term "flow trap" defines any device or means configured to retain or "capture" gas containing particulate contaminants in the flow trap region for a limited or unlimited retention time, such that the particulate contaminants accumulate in the flow trap region. This can be achieved, for example, by controlled manipulation and/or deceleration of the flow.
Vorzugsweise ist der Strömungsfallenbereich in der Prozesskammer angeordnet, d. h. durch einen Bereich der Prozesskammer definiert. Beispielsweise kann der Strömungsfallenbereich durch einen Abschnitt einer Prozesskammerwand begrenzt sein. Es ist jedoch auch denkbar, dass der Strömungsfallenbereich außerhalb der Prozesskammer angeordnet ist und dass die Strömungsfalle konfiguriert ist, um Gas, das partikelförmige Verunreinigungen enthält, in den außerhalb der Prozesskammer angeordneten Strömungsfallenbereich zu leiten oder umzuleiten. Die Einrichtung kann nur eine Strömungsfalle umfassen. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Einrichtung mit einer Mehrzahl von Strömungsfallen ausgestattet ist, die an unterschiedlichen Positionen innerhalb oder in Bezug auf die Prozesskammer angeordnet sein können.Preferably, the flow trap region is arranged in the process chamber, i.e. defined by a region of the process chamber. For example, the flow trap region can be delimited by a section of a process chamber wall. However, it is also conceivable that the flow trap region is arranged outside the process chamber and that the flow trap is configured to guide or divert gas containing particulate contaminants into the flow trap region arranged outside the process chamber. The device can comprise only one flow trap. However, it is also conceivable that the device is equipped with a plurality of flow traps, which can be arranged at different positions within or in relation to the process chamber.
Ein Gasstrom, der partikelförmige Verunreinigungen enthält, kann nach dem Leiten in den Strömungsfallenbereich von seiner ursprünglichen Hauptströmungsrichtung abgelenkt oder umgeleitet werden. Es ist jedoch auch denkbar, dass das partikelförmige Verunreinigungen enthaltende Gas, wenn es zu dem Strömungsfallenbereich geleitet wird, seine ursprüngliche Hauptströmungsrichtung beibehält, aber dennoch schließlich eingefangen, d. h. in dem Strömungsfallenbereich zurückgehalten wird. Die Strömungsfalle kann (ein) Strömungslenk-, Strömungsumlenk-, Strömungsumleit- und/oder Strömungsrückhalteelement(e) umfassen, das/die in der Prozesskammer angeordnet sein kann/können oder durch eine Komponente oder Komponenten der Prozesskammer, beispielsweise eine Prozesskammerwand oder einen Prozesskammerwandungsabschnitt, definiert sein kann/können. Ein Strömungslenk-, Strömungsumlenk-, Strömungsumleit- und/oder Strömungsrückhalteelement kann jedoch auch einen Gasstrahl oder Gasstrom umfassen oder durch einen Gasstrahl oder Gasstrom definiert sein, der einen partikelförmige Verunreinigungen enthaltenden Gasstrom derart beeinflusst, dass das partikelförmige Verunreinigungen enthaltende Gas in den Strömungsfallenbereich geleitet und/oder darin eingefangen wird.A gas flow containing particulate contaminants may be diverted or redirected from its original main flow direction after being directed into the flow trap region. However, it is also conceivable that the gas containing particulate contaminants maintains its original main flow direction when directed to the flow trap region, but is nevertheless eventually captured, i.e. retained in the flow trap region. The flow trap may comprise flow directing, flow diverting, flow redirecting and/or flow retaining element(s) which may be arranged in the process chamber or may be defined by a component or components of the process chamber, for example a process chamber wall or a process chamber wall section. However, a flow directing, flow redirecting, flow diverting and/or flow retaining element may also comprise or be defined by a gas jet or gas stream that influences a gas stream containing particulate contaminants such that the gas containing particulate contaminants is directed into the flow trap region and/or trapped therein.
Die Strömungsfalle verhindert, dass partikelförmige Verunreinigungen, die in dem Gasstrom stromabwärts des Transmissionselements enthalten sind, das Transmissionselement erreichen und es somit verunreinigen. Insbesondere stellt die Strömungsfalle sicher, dass diese partikelförmigen Verunreinigungen stromabwärts des Transmissionselements zurückgehalten und daran gehindert werden, in der Richtung des Transmissionselements mitgerissen zu werden, beispielsweise durch eine Strömungskomponente des Gasstroms, die in der Prozesskammer durch eine Erwärmung des Gases aufsteigt, wenn das Rohstoffpulver bestrahlt wird, und aufgrund der Verdampfung von Rohstoff aus einem Schmelzbad, das durch den auf das Rohstoffpulver auftreffenden Strahlungsstrahl erzeugt wird, Kondensatpartikel gebildet werden, die sich in der aufsteigenden Strömungskomponente des Gasstroms ansammeln.The flow trap prevents particulate contaminants contained in the gas flow downstream of the transmission element from reaching the transmission element and thus contaminating it. In particular, the flow trap ensures that these particulate contaminants are retained downstream of the transmission element and prevented from being entrained in the direction of the transmission element, for example by a flow component of the gas flow rising in the process chamber due to heating of the gas when the raw material powder is irradiated and due to the evaporation of raw material from a melt pool created by the radiation beam impinging on the raw material powder, condensate particles are formed which accumulate in the rising flow component of the gas flow.
Somit kann die Absorption von Strahlungsenergie durch an dem Transmissionselement anhaftende Verunreinigungen, beispielsweise das auf der Oberfläche des Transmissionselements abgeschiedene Schweißrauchkondensatmaterial minimiert werden und stabile Betriebsbedingungen können auch während längerer Betriebszeiten der Einrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Werkstücks innerhalb der Prozesskammer aufrechterhalten werden. Dadurch können hochwertige Werkstücke hergestellt werden, ohne den Betrieb der Einrichtung zum Reinigen des Transmissionselements zu unterbrechen. Darüber hinaus können Beschädigungen des Transmissionselements aufgrund der Abscheidung von Verunreinigungen verhindert oder zumindest erheblich reduziert werden. Während der Strömungsfallenbereich stromabwärts des Transmissionselements angeordnet ist, können Komponenten der Strömungsfalle, wie beispielsweise Strömungsführungs- oder Strömungsumlenkelemente, auch in einem Bereich vorgesehen sein, der bezüglich der Strömungsrichtung des in die Prozesskammer eintretenden Gases über den mindestens einen Gaseinlass stromaufwärts des Transmissionselements angeordnet ist. Ferner ist auch die Anordnung von Komponenten der Strömungsfalle im Bereich von mindestens einem Teil des Umfangs des Transmissionselements denkbar. Zusätzlich können Komponenten der Strömungsfalle auch an jeder geeigneten Position in der Prozesskammer bereitgestellt werden.Thus, the absorption of radiation energy by contaminants adhering to the transmission element, for example the welding fume condensate material deposited on the surface of the transmission element, can be minimized and stable operating conditions can be maintained even during longer operating times of the device for producing a three-dimensional workpiece within the process chamber. As a result, high-quality workpieces can be produced without interrupting the operation of the device for cleaning the transmission element. In addition, damage to the transmission element due to the deposition of contaminants can be prevented or at least significantly reduced. While the flow trap region is arranged downstream of the transmission element, components of the flow trap, such as flow guide or flow deflection elements, can also be provided in a region that is arranged upstream of the transmission element with respect to the flow direction of the gas entering the process chamber via the at least one gas inlet. Furthermore, the arrangement of components of the flow trap in the region of at least part of the circumference of the transmission element is also conceivable. In addition, flow trap components can also be provided at any suitable position in the process chamber.
Die Strömungsfalle kann ein Abschirmelement umfassen. In Bezug auf die Strömungsrichtung des in die Prozesskammer über den mindestens einen Gaseinlass eintretenden Gases kann das Abschirmelement stromabwärts des Transmissionselements angeordnet sein und kann konfiguriert sein, um das Transmissionselement von Gas, das partikelförmige Verunreinigungen enthält und in dem Strömungsfallenbereich eingefangen ist, abzuschirmen. Insbesondere kann das Abschirmelement den Strömungsfallenbereich von einem dem Transmissionselement benachbarten Bereich der Prozesskammer trennen und somit die Distanz erhöhen, den Gas und darin enthaltene partikelförmige Verunreinigungen zurücklegen müssen, um das Transmissionselement zu erreichen. Ferner kann das Abschirmelement als ein Strömungsablenk- oder Strömungsumlenkelement wirken, das beispielsweise eine Strömungskomponente des Gasstroms, die in der Prozesskammer in einer Richtung einer oberen Wand der Prozesskammer aufsteigt, derart umlenkt, dass das Gas und die darin enthaltenen partikelförmigen Verunreinigungen in dem Strömungsfallenbereich eingefangen werden.The flow trap may comprise a shielding element. With respect to the flow direction of the gas entering the process chamber via the at least one gas inlet, the shielding element may be arranged downstream of the transmission element and may be configured to shield the transmission element from gas containing particulate contaminants and trapped in the flow trap region. In particular, the shielding element may separate the flow trap region from a region of the process chamber adjacent to the transmission element and thus increase the distance that gas and particulate contaminants contained therein must travel to reach the transmission element. Furthermore, the shielding element may act as a flow deflecting or flow diverting element, which, for example, diverts a flow component of the gas flow rising in the process chamber in a direction of an upper wall of the process chamber such that the gas and the particulate contaminants contained therein are trapped in the flow trap region.
Das Abschirmelement kann sich von einer Wand der Prozesskammer erstrecken. Alternativ oder zusätzlich kann das Abschirmelement einen ersten Rand umfassen, der mit einer Wand der Prozesskammer verbunden ist, und einen zweiten Rand, der dem ersten Rand gegenüberliegend angeordnet und einem Innenraum der Prozesskammer zugewandt ist. Die Strömungsfalle kann nur ein Abschirmelement umfassen. Die Strömungsfalle kann jedoch auch eine Mehrzahl von Abschirmelementen umfassen, die beispielsweise den Strömungsfallenbereich auf unterschiedlichen Seiten umgeben können.The shielding element may extend from a wall of the process chamber. Alternatively or additionally, the shielding element may comprise a first edge connected to a wall of the process chamber and a second edge arranged opposite the first edge and facing an interior of the process chamber. The flow trap may comprise only one shielding element. However, the flow trap may also comprise a plurality of shielding elements, which may, for example, surround the flow trap region on different sides.
Das Abschirmelement kann bezüglich der Strömungsrichtung des über den mindestens einen Gaseinlass in die Prozesskammer eintretenden Gases derart geneigt sein, dass der zweite Rand des Abschirmelements bezogen auf die Strömungsrichtung des über den mindestens einen Gaseinlass in die Prozesskammer eintretenden Gases stromabwärts des ersten Randes des Abschirmelements angeordnet ist. Ein geneigtes Abschirmelement ist besonders geeignet, um Gas und partikelförmige Verunreinigungen in dem Strömungsfallenbereich stromabwärts des Transmissionselements zurückzuhalten.The shielding element can be inclined with respect to the flow direction of the gas entering the process chamber via the at least one gas inlet such that the second edge of the shielding element is arranged downstream of the first edge of the shielding element with respect to the flow direction of the gas entering the process chamber via the at least one gas inlet. An inclined shielding element is particularly suitable for retaining gas and particulate contaminants in the flow trap region downstream of the transmission element.
Das Abschirmelement kann ein im Wesentlichen plattenförmiges Element umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann das Abschirmelement aus Metall, einem Polymer und/oder einem mineralischen Material hergestellt sein. Vorzugsweise ist das Material des Abschirmelements so gewählt, dass das Abschirmelement bei einer Bestrahlung des Rohstoffpulvers der Temperatur in der Prozesskammer standhalten kann. Die Abschirmvorrichtung kann mit einer Oberfläche versehen sein, die die Strahlung absorbieren und/oder reflektieren kann. Die Oberfläche des Abschirmelements kann beispielsweise eloxiert, foliert, oxidiert und/oder aufgeraut, insbesondere schwarzlasermarkiert sein.The shielding element can comprise a substantially plate-shaped element. Alternatively or additionally, the shielding element can be made of metal, a polymer and/or a mineral material. The material of the shielding element is preferably selected such that the shielding element can withstand the temperature in the process chamber when the raw material powder is irradiated. The shielding device can be provided with a surface that can absorb and/or reflect the radiation. The surface of the shielding element can, for example, be anodized, foiled, oxidized and/or roughened, in particular black laser marked.
Ferner kann das Abschirmelement eine abschirmende Gasströmung umfassen. Beispielsweise kann die abschirmende Gasströmung eine Art Gasvorhang bilden, der sich von der oberen Wand und/oder mindestens einer Seitenwand der Prozesskammer erstreckt und der durch Einblasen von Gas in die Prozesskammer durch geeignete Abschirmgasströmungsdüsen definiert ist, die in der oberen Wand und/oder der mindestens einen Seitenwand der Prozesskammer ausgebildet sind.Furthermore, the shielding element can comprise a shielding gas flow. For example, the shielding gas flow can form a kind of gas curtain which extends from the upper wall and/or at least one side wall of the process chamber and which is defined by blowing gas into the process chamber through suitable shielding gas flow nozzles which are formed in the upper wall and/or the at least one side wall of the process chamber.
Das Abschirmelement kann durch einen Bereich einer Wand der Prozesskammer gebildet sein, welcher versetzt zu dem umgebenden Bereich der Prozesskammerwand angeordnet ist und somit eine Kante oder Aussparung in der Prozesskammerwand bildet.The shielding element can be formed by a region of a wall of the process chamber, which is arranged offset from the surrounding region of the process chamber wall and thus forms an edge or recess in the process chamber wall.
Das Transmissionselement kann in einem Bereich einer Wand der Prozesskammer angeordnet sein, insbesondere in einem Bereich der oberen Wand der Prozesskammer. Beispielsweise kann das Transmissionselement in eine Wand, insbesondere die obere Wand der Prozesskammer integriert sein. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Einrichtung ist das Transmissionselement in einem Bereich oberhalb des Trägers, insbesondere einer Mitte des Trägers, angeordnet.The transmission element can be arranged in a region of a wall of the process chamber, in particular in a region of the upper Wall of the process chamber. For example, the transmission element can be integrated into a wall, in particular the upper wall of the process chamber. In a particularly preferred embodiment of the device, the transmission element is arranged in a region above the carrier, in particular a center of the carrier.
Die Strömungsfalle kann konfiguriert sein, um Gas, das partikelförmige Verunreinigungen enthält, in einem Strömungsfallenbereich einzufangen, der angrenzend an die obere Wand der Prozesskammer angeordnet ist. Die Positionierung des Strömungsfallenbereichs angrenzend an die obere Wand der Prozesskammer ist besonders vorteilhaft, wenn das Transmissionselement im Bereich der oberen Wand der Prozesskammer angeordnet ist. Der Strömungsfallenbereich kann dann durch einen Abschnitt der oberen Wand der Prozesskammer begrenzt sein, der in Bezug auf die Strömungsrichtung des in die Prozesskammer über den mindestens einen Gaseinlass eintretenden Gases stromabwärts des Transmissionselements angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Strömungsfallenbereich durch einen Abschnitt der zweiten Seitenwand, insbesondere einen Abschnitt der zweiten Seitenwand, der oberhalb des Gasauslasses angeordnet ist, begrenzt sein. Insbesondere wenn das Transmissionselement im Bereich der oberen Wand der Prozesskammer angeordnet ist, kann sich das Abschirmelement von der oberen Wand der Prozesskammer erstrecken und/oder der erste Rand des Abschirmelements kann mit der oberen Wand der Prozesskammer verbunden sein. Der zweite Rand des Abschirmelements kann dem Träger zum Aufnehmen des Rohstoffpulvers zugewandt sein. Es ist jedoch auch denkbar, dass der erste Rand des Abschirmelements mit einer Seitenwand der Prozesskammer verbunden ist. Zum Beispiel kann der erste Rand des Abschirmelements über dem Gasauslass mit der zweiten Seitenwand der Prozesskammer verbunden sein und der zweite Rand des Abschirmelements kann der ersten Seitenwand der Prozesskammer zugewandt sein.The flow trap may be configured to trap gas containing particulate contaminants in a flow trap region arranged adjacent to the upper wall of the process chamber. Positioning the flow trap region adjacent to the upper wall of the process chamber is particularly advantageous when the transmission element is arranged in the region of the upper wall of the process chamber. The flow trap region may then be delimited by a portion of the upper wall of the process chamber which is arranged downstream of the transmission element with respect to the flow direction of the gas entering the process chamber via the at least one gas inlet. Alternatively or additionally, the flow trap region may be delimited by a portion of the second side wall, in particular a portion of the second side wall which is arranged above the gas outlet. In particular when the transmission element is arranged in the region of the upper wall of the process chamber, the shielding element may extend from the upper wall of the process chamber and/or the first edge of the shielding element may be connected to the upper wall of the process chamber. The second edge of the shielding element can face the carrier for receiving the raw material powder. However, it is also conceivable that the first edge of the shielding element is connected to a side wall of the process chamber. For example, the first edge of the shielding element above the gas outlet can be connected to the second side wall of the process chamber and the second edge of the shielding element can face the first side wall of the process chamber.
Eine Strömungsgeschwindigkeit des Gases, das über den mindestens einen Gaseinlass in die Prozesskammer eintritt, beim Durchströmen des mindestens einen Gaseinlasses kann höher sein als eine Strömungsgeschwindigkeit des partikelförmige Verunreinigungen enthaltenden Gases, twenn es in dem Strömungsfallenbereich eingefangen ist. Eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit des partikelförmigen Verunreinigungen enthaltenden Gases ist hilfreich, um das Gas und insbesondere die partikelförmigen Verunreinigungen in demm Strömungsfallenbereich zurückzuhalten.A flow velocity of the gas entering the process chamber via the at least one gas inlet when flowing through the at least one gas inlet can be higher than a flow velocity of the gas containing particulate contaminants when it is trapped in the flow trap region. Reducing the flow velocity of the gas containing particulate contaminants is helpful in retaining the gas and in particular the particulate contaminants in the flow trap region.
Die Einrichtung umfasst vorzugsweise ferner ein Strömungsumlenkelement, das konfiguriert ist, um einen Gasstrom, der partikelförmige Verunreinigungen enthält, in eine Richtung des Strömungsfallenbereichs und/oder eine Richtung des mindestens einen Gasauslasses der Gasabfuhrvorrichtung umzulenken. Das Strömungsumlenkelement kann eine Komponente der Strömungsfalle bilden, alternativ aber auch unabhängig von der Strömungsfalle ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das Strömungsumlenkelement in Bezug auf die Strömungsrichtung des in die Prozesskammer über den mindestens einen Gaseinlass eintretenden Gases stromabwärts des Transmissionselements angeordnet.The device preferably further comprises a flow deflection element which is configured to deflect a gas flow containing particulate contaminants in a direction of the flow trap region and/or a direction of the at least one gas outlet of the gas removal device. The flow deflection element can form a component of the flow trap, but alternatively can also be designed independently of the flow trap. The flow deflection element is preferably arranged downstream of the transmission element with respect to the flow direction of the gas entering the process chamber via the at least one gas inlet.
Das Strömungsumlenkelement kann integriert mit einer Seitenwand der Prozesskammer ausgebildet oder daran angrenzend angeordnet sein. Beispielsweise kann das Strömungsumlenkelement integriert mit der zweiten Seitenwand der Prozesskammer ausgebildet oder daran angrenzend angeordnet sein. Ferner kann das Strömungsumlenkelement oberhalb des mindestens einen Gasauslasses der Gasabfuhrvorrichtung angeordnet sein.The flow deflection element can be integrated with a side wall of the process chamber or arranged adjacent thereto. For example, the flow deflection element can be integrated with the second side wall of the process chamber or arranged adjacent thereto. Furthermore, the flow deflection element can be arranged above the at least one gas outlet of the gas discharge device.
Das Strömungsumlenkelement kann eine abgerundete und/oder gewölbte Struktur aufweisen. Beispielsweise kann das Strömungsumlenkelement ein gebogenes Blechmaterial umfassen oder dadurch definiert sein oder durch einen gewölbten Abschnitt einer Prozesskammerwand, insbesondere der zweiten Seitenwand der Prozesskammer, definiert sein. Das Strömungsumlenkelement kann einen ersten Abschnitt umfassen, der konfiguriert ist, um einen Gasstrom, der partikelförmige Verunreinigungen enthält, in Richtung des Strömungsfallenbereichs zu leiten. Der erste Abschnitt kann einen ersten Rand umfassen, der mit der Seitenwand der Prozesskammer verbunden ist. Der erste Abschnitt kann ferner einen zweiten Rand umfassen, der dem ersten Rand gegenüberliegend angeordnet und einem Innenraum der Prozesskammer zugewandt ist. Der erste Abschnitt kann in Bezug auf die Strömungsrichtung des über den mindestens einen Gaseinlass in die Prozesskammer eintretenden Gases geneigt sein, sodass der erste Rand in Bezug auf die Strömungsrichtung des über den mindestens einen Gaseinlass in die Prozesskammer eintretenden Gases stromabwärts des zweiten Randes angeordnet ist.The flow diverting element may have a rounded and/or curved structure. For example, the flow diverting element may comprise or be defined by a bent sheet material or be defined by a curved portion of a process chamber wall, in particular the second side wall of the process chamber. The flow diverting element may comprise a first portion configured to direct a gas flow containing particulate contaminants toward the flow trap region. The first portion may comprise a first edge connected to the side wall of the process chamber. The first portion may further comprise a second edge arranged opposite the first edge and facing an interior of the process chamber. The first portion may be inclined with respect to the flow direction of the gas entering the process chamber via the at least one gas inlet, such that the first edge is arranged downstream of the second edge with respect to the flow direction of the gas entering the process chamber via the at least one gas inlet.
Ferner kann das Strömungsumlenkelement einen zweiten Abschnitt umfassen, der konfiguriert ist, um einen Gasstrom, der partikelförmige Verunreinigungen enthält, in Richtung des mindestens einen Gasauslasses der Gasabfuhrvorrichtung zu leiten. Der zweite Abschnitt kann einen ersten Rand umfassen, der mit der Seitenwand der Prozesskammer verbunden ist. Der zweite Abschnitt kann ferner einen zweiten Rand umfassen, der dem ersten Rand gegenüberliegend angeordnet und einem Innenraum der Prozesskammer zugewandt ist. Der zweite Abschnitt kann in Bezug auf die Strömungsrichtung des über den mindestens einen Gaseinlass in die Prozesskammer eintretenden Gases geneigt sein, sodass der erste Rand in Bezug auf die Strömungsrichtung des über den mindestens einen Gaseinlass in die Prozesskammer eintretenden Gases, stromabwärts des zweiten Randes angeordnet ist.Furthermore, the flow deflection element may comprise a second section configured to direct a gas flow containing particulate contaminants in the direction of the at least one gas outlet of the gas removal device. The second section may comprise a first edge connected to the side wall of the process chamber. The second section may further comprise a second edge arranged opposite the first edge and facing an interior of the process chamber. The The second section may be inclined with respect to the flow direction of the gas entering the process chamber via the at least one gas inlet, so that the first edge is arranged downstream of the second edge with respect to the flow direction of the gas entering the process chamber via the at least one gas inlet.
Das Strömungsumlenkelement kann auch einen dritten Abschnitt umfassen, der sich im Wesentlichen senkrecht zu der Strömungsrichtung des über den mindestens einen Gaseinlass eintretenden in die Prozesskammer Gases erstreckt. Beispielsweise kann sich der dritte Abschnitt des Strömungsumlenkelements im Wesentlichen parallel zu der Seitenwand der Prozesskammer, insbesondere der zweiten Seitenwand der Prozesskammer erstrecken, mit der der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt verbunden sind. Alternativ oder zusätzlich kann sich der dritte Abschnitt zwischen dem zweiten Rand des ersten Abschnitts und dem zweiten Rand des zweiten Abschnitts erstrecken.The flow deflection element can also comprise a third section which extends substantially perpendicular to the flow direction of the gas entering the process chamber via the at least one gas inlet. For example, the third section of the flow deflection element can extend substantially parallel to the side wall of the process chamber, in particular the second side wall of the process chamber, to which the first section and the second section are connected. Alternatively or additionally, the third section can extend between the second edge of the first section and the second edge of the second section.
Der erste, der zweite und/oder der dritte Abschnitt des Strömungsumlenkelements können integriert mit der Seitenwand der Prozesskammer ausgebildet oder daran angrenzend angeordnet sein. Das Strömungsumlenkelement kann so ausgebildet sein, dass es separate erste, zweite und dritte Abschnitte aufweist. Der erste, der zweite und der dritte Abschnitt des Strömungsumlenkelements können jedoch auch integriert miteinander ausgebildet sein und somit ineinander übergehen. Beispielsweise kann das Strömungsumlenkelement keine definierten Ränder umfassen, welche die Abschnitte des Strömungsumlenkelements eindeutig voneinander abgrenzen.The first, second and/or third sections of the flow deflection element can be formed integrally with the side wall of the process chamber or arranged adjacent thereto. The flow deflection element can be formed such that it has separate first, second and third sections. However, the first, second and third sections of the flow deflection element can also be formed integrally with one another and thus merge into one another. For example, the flow deflection element can not comprise any defined edges which clearly delimit the sections of the flow deflection element from one another.
Die Einrichtung kann ferner ein Kühlelement umfassen, das konfiguriert ist, um partikelförmige Verunreinigungen enthaltendes Gas, das in dem Strömungsfallenbereich eingefangen ist, zu kühlen. Das Kühlelement kann integriert mit einem Abschnitt einer den Strömungsfallenbereich begrenzenden Prozesskammerwand ausgebildet oder daran angrenzend angeordnet sein. Durch Abkühlen des partikelförmige Verunreinigungen enthaltenden Gases, wird die Abscheidung der partikelförmigen Verunreinigungen, beispielsweise auf dem Kühlelement, gefördert. Dadurch erhöht das Vorhandensein des Kühlelements den Schutz des Transmissionselements vor einer Kontamination durch die partikelförmigen Verunreinigungen.The device may further comprise a cooling element configured to cool gas containing particulate contaminants that is trapped in the flow trap region. The cooling element may be integral with or arranged adjacent to a portion of a process chamber wall delimiting the flow trap region. By cooling the gas containing particulate contaminants, the deposition of the particulate contaminants, for example on the cooling element, is promoted. The presence of the cooling element thus increases the protection of the transmission element against contamination by the particulate contaminants.
Das Kühlelement kann ein aktives Kühlelement oder ein passives Kühlelement sein. Das Kühlelement kann einen Kühlkanal umfassen, der von einem Kühlmittel wie beispielsweise Wasser durchströmt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann das Kühlelement ein Material umfassen oder daraus bestehen, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit als ein umgebendes Material aufweist. Das Kühlelement kann auch mit Kühlrippen versehen sein und/oder eine große Oberfläche aufweisen, um ein schnelles Abkühlen des eingefangenen Gases zu ermöglichen. Das gekühlte Gas strömt üblicherweise in Richtung des Gasauslasses nach unten und somit von dem Transmissionselement weg. Ferner stellt nach unten strömendes gekühltes Gas Raum für eine „neue“ Rauch-/Gaswolke bereit, die im Strömungsfallenbereich eingefangen wird.The cooling element may be an active cooling element or a passive cooling element. The cooling element may comprise a cooling channel through which a coolant such as water can flow. Alternatively or additionally, the cooling element may comprise or consist of a material that has a higher thermal conductivity than a surrounding material. The cooling element may also be provided with cooling fins and/or have a large surface area to enable rapid cooling of the trapped gas. The cooled gas usually flows downwards towards the gas outlet and thus away from the transmission element. Furthermore, cooled gas flowing downwards provides space for a "new" smoke/gas cloud that is trapped in the flow trap region.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Einrichtung eine Entfernungsvorrichtung, die konfiguriert ist, um Gas, das partikelförmige Verunreinigungen enthält, aus dem Strömungsfallenbereich zu entfernen. Durch das Entfernen von partikelförmigen Verunreinigungen aus dem Strömungsfallenbereich wird ferner der Schutz des Transmissionselements vor Kontamination durch die partikelförmigen Verunreinigungen verstärkt.In a preferred embodiment, the device comprises a removal device configured to remove gas containing particulate contaminants from the flow trap region. Removing particulate contaminants from the flow trap region further enhances the protection of the transmission element from contamination by the particulate contaminants.
Die Entfernungsvorrichtung kann eine Verbindungsvorrichtung umfassen. Ein erstes Ende der Verbindungsvorrichtung kann mit dem Strömungsfallenbereich verbunden sein. Ferner kann die Entfernungsvorrichtung eine Fördervorrichtung, zum Beispiel eine Pumpe, umfassen, die konfiguriert ist, um Gas, das partikelförmige Verunreinigungen enthält, aus dem Strömungsfallenbereich zu fördern. Die Fördervorrichtung kann in der Verbindungsvorrichtung angeordnet sein. Die Verbindungsvorrichtung kann einen Schlauch oder mehrere Schläuche umfassen. Ein Ventil kann in der Verbindungsvorrichtung angeordnet sein, um die Entfernung von Gas, das partikelförmige Verunreinigungen enthält, aus dem Strömungsfallenbereich zu ermöglichen oder zu unterbinden.The removal device may comprise a connection device. A first end of the connection device may be connected to the flow trap region. Furthermore, the removal device may comprise a conveying device, for example a pump, configured to convey gas containing particulate contaminants from the flow trap region. The conveying device may be arranged in the connection device. The connection device may comprise one or more hoses. A valve may be arranged in the connection device to enable or prevent the removal of gas containing particulate contaminants from the flow trap region.
Ein zweites Ende der Verbindungsvorrichtung kann offen sein oder beispielsweise mit einem Sammelbehälter verbunden sein, der konfiguriert ist, um das Gas und insbesondere die aus dem Strömungsfallenbereich entfernten partikelförmigen Verunreinigungen aufzunehmen. Das zweite Ende der Verbindungsvorrichtung kann jedoch auch mit der Gasabfuhrvorrichtung verbunden sein. Zum Beispiel kann die Verbindungsvorrichtung den Strömungsfallenbereich mit einer Rohröffnung in die Gasabfuhrvorrichtung stromabwärts des Gasauslasses verbinden. Das in der Verbindungsvorrichtung angeordnete Ventil kann konfiguriert sein, um bei Bedarf die Entfernung von Gas, das partikelförmige Verunreinigungen enthält, aus dem Strömungsfallenbereich in die Gasabfuhrvorrichtung zu ermöglichen oder zu unterbinden.A second end of the connection device may be open or, for example, connected to a collecting container configured to receive the gas and in particular the particulate contaminants removed from the flow trap region. However, the second end of the connection device may also be connected to the gas removal device. For example, the connection device may connect the flow trap region to a pipe opening into the gas removal device downstream of the gas outlet. The valve arranged in the connection device may be configured to enable or prevent the removal of gas containing particulate contaminants from the flow trap region into the gas removal device as required.
Wie bereits vorstehend beschrieben, kann eine Strömungsquerschnittsfläche des Gasauslasses kleiner als eine Strömungsquerschnittsfläche der Prozesskammer sein, so dass ein in der Prozesskammer herrschender statischer Druck höher sein kann als ein statischer Druck, der in der Gasabfuhrvorrichtung stromabwärts des Gasauslasses vorherrscht. Daher kann die Abfuhr von Gas über den Gasauslass durch den Venturi-Effekt induziert oder gefördert werden. Ferner kann eine Strömungsquerschnittsfläche der Verbindungsvorrichtung kleiner als eine Querschnittsfläche der Gasabfuhrvorrichtung stromabwärts des mindestens einen Gasauslasses sein, sodass die Abfuhr von Gas, das partikelförmige Verunreinigungen enthält, aus dem Strömungsfallenbereich in die Gasabfuhrvorrichtung auch durch den Venturi-Effekt induziert oder zumindest gefördert werden kann.As already described above, a flow cross-sectional area of the gas outlet can be smaller than a flow cross-sectional area the process chamber, so that a static pressure prevailing in the process chamber can be higher than a static pressure prevailing in the gas discharge device downstream of the gas outlet. Therefore, the discharge of gas via the gas outlet can be induced or promoted by the Venturi effect. Furthermore, a flow cross-sectional area of the connecting device can be smaller than a cross-sectional area of the gas discharge device downstream of the at least one gas outlet, so that the discharge of gas containing particulate contaminants from the flow trap region into the gas discharge device can also be induced or at least promoted by the Venturi effect.
In einem Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Werkstücks wird eine Rohstoffpulverschicht auf einen in einer Prozesskammer aufgenommenen Träger aufgebracht. Das Rohstoffpulver auf dem Träger wird selektiv mit elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung bestrahlt, um aus dem Rohstoffpulver durch ein additives Schichtbauverfahren ein Werkstück herzustellen. Die elektromagnetische Strahlung oder Teilchenstrahlung wird über ein Transmissionselement in die Prozesskammer eingetragen. Der Prozesskammer wird über mindestens einen Gaseinlass einer Gaszufuhrvorrichtung Gas zugeführt. Über mindestens einen Gasauslass einer Gasabfuhrvorrichtung wird Gas aus der Prozesskammer abgeführt. Mittels einer Strömungsfalle wird Gas, das partikelförmige Verunreinigungen enthält, in einem Strömungsfallenbereich eingefangen, der in Bezug auf eine Strömungsrichtung des über den mindestens einen Gaseinlass in die Prozesskammer eintretenden Gases stromabwärts des Transmissionselements angeordnet ist.In a method for producing a three-dimensional workpiece, a raw material powder layer is applied to a carrier accommodated in a process chamber. The raw material powder on the carrier is selectively irradiated with electromagnetic radiation or particle radiation in order to produce a workpiece from the raw material powder using an additive layer construction process. The electromagnetic radiation or particle radiation is introduced into the process chamber via a transmission element. Gas is supplied to the process chamber via at least one gas inlet of a gas supply device. Gas is discharged from the process chamber via at least one gas outlet of a gas discharge device. By means of a flow trap, gas containing particulate contaminants is captured in a flow trap region which is arranged downstream of the transmission element with respect to a flow direction of the gas entering the process chamber via the at least one gas inlet.
Die Strömungsfalle kann ein Abschirmelement umfassen, das in Bezug auf die Strömungsrichtung des in die Prozesskammer über den mindestens einen Gaseinlass eintretenden Gases stromabwärts des Transmissionselements angeordnet ist und das Transmissionselement von Gas, das partikelförmige Verunreinigungen enthält und in dem Strömungsfallenbereich eingefangen ist, abschirmt. Die Strömungsfalle kann Gas, das partikelförmige Verunreinigungen enthält, in einem Strömungsfallenbereich einfangen, der angrenzend an eine/die obere Wand der Prozesskammer angeordnet ist.The flow trap may comprise a shielding element arranged downstream of the transmission element with respect to the flow direction of gas entering the process chamber via the at least one gas inlet and shielding the transmission element from gas containing particulate contaminants trapped in the flow trap region. The flow trap may trap gas containing particulate contaminants in a flow trap region arranged adjacent to a/the upper wall of the process chamber.
Eine Strömungsgeschwindigkeit des Gases, das über den mindestens einen Gaseinlass in die Prozesskammer eintritt, beim Durchströmen des mindestens einen Gaseinlasses kann höher sein als eine Strömungsgeschwindigkeit des partikelförmige Verunreinigungen enthaltenden Gases, wenn es in dem Strömungsfallenbereich eingefangen ist.A flow velocity of the gas entering the process chamber via the at least one gas inlet when flowing through the at least one gas inlet may be higher than a flow velocity of the gas containing particulate contaminants when it is trapped in the flow trap region.
Die Strömungsfalle kann ein Strömungsumlenkelement umfassen, das einen Gasstrom, der partikelförmige Verunreinigungen enthält, in eine Richtung des Strömungsfallenbereichs und/oder eine Richtung des mindestens einen Gasauslasses der Gasabfuhrvorrichtung umlenkt. Das Strömungsumlenkelement kann insbesondere oberhalb des mindestens einen Gasauslasses der Gasabfuhrvorrichtung integriert mit einer Seitenwand der Prozesskammer ausgebildet oder daran angrenzend angeordnet sein.The flow trap can comprise a flow deflection element that deflects a gas flow containing particulate contaminants in a direction of the flow trap region and/or a direction of the at least one gas outlet of the gas removal device. The flow deflection element can be designed in particular above the at least one gas outlet of the gas removal device, integrated with a side wall of the process chamber, or arranged adjacent thereto.
Das Strömungsumlenkelement kann einen ersten Abschnitt umfassen, der einen Gasstrom, der partikelförmige Verunreinigungen enthält, in Richtung des Strömungsfallenbereichs leitet. Der erste Abschnitt kann einen ersten Rand, der mit der Seitenwand der Prozesskammer verbunden ist, und einen zweiten Rand umfassen, der dem ersten Rand gegenüberliegend angeordnet und einem Innenraum der Prozesskammer zugewandt ist. Der erste Abschnitt kann in Bezug auf die Strömungsrichtung des über den mindestens einen Gaseinlass in die Prozesskammer eintretenden Gases geneigt sein, sodass der erste Rand in Bezug auf die Strömungsrichtung des durch den mindestens einen Gaseinlass in die Prozesskammer eintretenden Gases stromabwärts des zweiten Randes angeordnet ist.The flow diverting element may comprise a first portion that directs a gas flow containing particulate contaminants toward the flow trap region. The first portion may comprise a first edge connected to the side wall of the process chamber and a second edge arranged opposite the first edge and facing an interior of the process chamber. The first portion may be inclined with respect to the flow direction of the gas entering the process chamber via the at least one gas inlet, such that the first edge is arranged downstream of the second edge with respect to the flow direction of the gas entering the process chamber through the at least one gas inlet.
Ferner kann das Strömungsumlenkelement einen zweiten Abschnitt umfassen, der einen Gasstrom, der partikelförmige Verunreinigungen enthält, in Richtung des mindestens einen Gasauslasses der Gasabfuhrvorrichtung lenkt. Der zweite Abschnitt kann einen ersten Rand, der mit der Seitenwand der Prozesskammer verbunden ist, und einen zweiten Rand umfassen, der dem ersten Rand gegenüberliegend angeordnet und einem Innenraum der Prozesskammer zugewandt ist. Der zweite Abschnitt kann in Bezug auf die Strömungsrichtung des über den mindestens einen Gaseinlass in die Prozesskammer eintretenden Gases geneigt sein, sodass der erste Rand in Bezug auf die Strömungsrichtung des über den mindestens einen Gaseinlass in die Prozesskammer Gases stromabwärts des zweiten Randes angeordnet ist.Furthermore, the flow deflection element can comprise a second section which directs a gas flow containing particulate contaminants in the direction of the at least one gas outlet of the gas removal device. The second section can comprise a first edge which is connected to the side wall of the process chamber and a second edge which is arranged opposite the first edge and faces an interior of the process chamber. The second section can be inclined with respect to the flow direction of the gas entering the process chamber via the at least one gas inlet, so that the first edge is arranged downstream of the second edge with respect to the flow direction of the gas entering the process chamber via the at least one gas inlet.
Das Strömungsumlenkelement kann auch einen dritten Abschnitt umfassen, der sich im Wesentlichen senkrecht zu der Strömungsrichtung des über den mindestens einen Gaseinlass in die Prozesskammer eintretenden Gases und/oder zwischen dem zweiten Rand des ersten Abschnitts und dem zweiten Rand des zweiten Abschnitts erstreckt.The flow deflection element may also comprise a third portion which extends substantially perpendicular to the flow direction of the gas entering the process chamber via the at least one gas inlet and/or between the second edge of the first portion and the second edge of the second portion.
Bei dem Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Werkstücks kann Gas, das partikelförmige Verunreinigungen enthält, aus dem Strömungsfallenbereich entfernt werden. Eine Entfernungsvorrichtung kann eine Verbindungsvorrichtung umfassen. Ein erstes Ende der Verbindungsvorrichtung kann mit dem Strömungsfallenbereich verbunden sein. Gas, das partikelförmige Verunreinigungen enthält, kann mittels einer Fördervorrichtung, beispielsweise einer Pumpe, aus dem Strömungsfallenbereich entfernt werden. Ein zweites Ende der Verbindungsvorrichtung kann offen sein oder beispielsweise mit einem Sammelbehälter verbunden sein, der konfiguriert ist, um das Gas und insbesondere die aus dem Strömungsfallenbereich entfernten partikelförmigen Verunreinigungen aufzunehmen. Das zweite Ende der Verbindungsvorrichtung kann jedoch auch mit der Gasabfuhrvorrichtung verbunden sein. Weitere vorstehend in Bezug auf die Einrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Werkstücks beschriebene Merkmale können auch in dem Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Werkstücks vorhanden sein.In the method for producing a three-dimensional workpiece, gas containing particulate contaminants may be removed from the flow trap region. A removal device may comprise a connecting device A first end of the connecting device can be connected to the flow trap region. Gas containing particulate contaminants can be removed from the flow trap region by means of a conveying device, for example a pump. A second end of the connecting device can be open or, for example, connected to a collecting container which is configured to receive the gas and in particular the particulate contaminants removed from the flow trap region. However, the second end of the connecting device can also be connected to the gas removal device. Further features described above with respect to the device for producing a three-dimensional workpiece can also be present in the method for producing a three-dimensional workpiece.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen ausführlicher erläutert, in denen:
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1 eine Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Einrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Werkstücks zeigt, und -
2 eine Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Einrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Werkstücks zeigt.
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1 shows a representation of a first embodiment of a device for producing a three-dimensional workpiece, and -
2 shows a representation of a second embodiment of a device for producing a three-dimensional workpiece.
Die Einrichtung 10 zum Herstellen eines dreidimensionalen Werkstücks umfasst ferner eine Bestrahlungsvorrichtung 16 zum selektiven Bestrahlen des auf den Träger 14 aufgebrachten Rohstoffpulvers mit elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung, insbesondere Laserstrahlung, um aus dem Rohstoffpulver durch ein additives Schichtbauverfahren ein Werkstück herzustellen. Mittels der Bestrahlungsvorrichtung 16 kann das Rohstoffpulver auf dem Träger 14 ortsselektiv in Abhängigkeit von der gewünschten Geometrie der herzustellenden Komponente einer elektromagnetischen Strahlung oder Teilchenstrahlung ausgesetzt werden. Die Bestrahlungsvorrichtung 16 umfasst eine Strahlungsquelle, die einen diodengepumpten Ytterbium-Faserlaser umfassen kann, der Laserlicht bei einer Wellenlänge von etwa 1070 bis 1080 nm emittiert.The device 10 for producing a three-dimensional workpiece further comprises an irradiation device 16 for selectively irradiating the raw material powder applied to the carrier 14 with electromagnetic radiation or particle radiation, in particular laser radiation, in order to produce a workpiece from the raw material powder by an additive layer construction process. By means of the irradiation device 16, the raw material powder on the carrier 14 can be exposed to electromagnetic radiation or particle radiation in a location-selective manner depending on the desired geometry of the component to be produced. The irradiation device 16 comprises a radiation source which can comprise a diode-pumped ytterbium fiber laser which emits laser light at a wavelength of approximately 1070 to 1080 nm.
Die Bestrahlungsvorrichtung 16 umfasst ferner eine optische Einheit zum Führen und Verarbeiten eines von der Strahlungsquelle emittierten Strahlungsstrahls. Die optische Einheit kann einen Strahlexpander zum Expandieren des Strahlungsstrahls, einen Scanner und eine Objektlinse umfassen. Alternativ kann die optische Einheit einen Strahlexpander umfassen, der eine Fokussieroptik und eine Scannereinheit umfasst. Mittels der Scannereinheit kann die Fokusposition des Strahlungsstrahls sowohl in Richtung des Strahlengangs als auch in einer Ebene senkrecht zum Strahlengang verändert und angepasst werden. Die Scannereinheit kann in Form eines Galvanometerscanners ausgebildet sein und die Objektlinse kann eine f-theta-Objektlinse sein.The irradiation device 16 further comprises an optical unit for guiding and processing a radiation beam emitted by the radiation source. The optical unit can comprise a beam expander for expanding the radiation beam, a scanner and an object lens. Alternatively, the optical unit can comprise a beam expander which comprises focusing optics and a scanner unit. By means of the scanner unit, the focus position of the radiation beam can be changed and adjusted both in the direction of the beam path and in a plane perpendicular to the beam path. The scanner unit can be designed in the form of a galvanometer scanner and the object lens can be an f-theta object lens.
Die Einrichtung 10 umfasst ferner ein Transmissionselement 18, das den Eintrag der von der Bestrahlungsvorrichtung 16 emittierten elektromagnetischen Strahlung oder Teilchenstrahlung in die Prozesskammer 12 ermöglicht. In der in den Zeichnungen dargestellten Einrichtung 10 umfasst das Transmissionselement 18 zwei Fenster 20, 22 aus Glas oder einem Polymermaterial, die in einem Bereich einer oberen Wand 24 der Prozesskammer 12 oberhalb einer Mitte des Trägers 14 angeordnet sind. Somit kann ein von der Bestrahlungsvorrichtung 16 emittierter Strahlungsstrahl in Abhängigkeit von der Geometrie des herzustellenden Werkstücks durch die Fenster 20, 22 des Transmissionselements 18 und über den Träger 14 geführt werden.The device 10 further comprises a transmission element 18, which enables the electromagnetic radiation or particle radiation emitted by the irradiation device 16 to enter the process chamber 12. In the device 10 shown in the drawings, the transmission element 18 comprises two windows 20, 22 made of glass or a polymer material, which are arranged in a region of an upper wall 24 of the process chamber 12 above a center of the carrier 14. A radiation beam emitted by the irradiation device 16 can thus be guided through the windows 20, 22 of the transmission element 18 and over the carrier 14 depending on the geometry of the workpiece to be produced.
Die Prozesskammer 12 ist gegen die Umgebungsatmosphäre, d. h., gegen die Umgebung, die die Prozesskammer 12 umgibt, abgedichtet. Eine Gaszufuhrvorrichtung 26 dient zum Zuführen von Gas zu der Prozesskammer 12 und umfasst einen ersten Gaseinlass 28, der durch eine plattenförmige, gasdurchlässige, poröse Komponente definiert ist, die in einem Bereich einer ersten Seitenwand 30 der Prozesskammer 12 angeordnet ist, und einen schlitzförmigen zweiten Gaseinlass 32, der in der ersten Seitenwand 30 der Prozesskammer 12 in einem Bereich unterhalb des ersten Gaseinlasses 28 angeordnet ist. Das von der Gaszufuhrvorrichtung 26 zugeführte Gas kann ein Inertgas sein, wie zum Beispiel Argon, Stickstoff oder dergleichen. Das Gas wird mittels einer geeigneten Fördervorrichtung wie beispielsweise einer Pumpe oder einem Gebläse (nicht gezeigt) in die Prozesskammer 12 gefördert.The process chamber 12 is sealed against the ambient atmosphere, i.e. against the environment surrounding the process chamber 12. A gas supply device 26 serves to supply gas to the process chamber 12 and comprises a first gas inlet 28 which is defined by a plate-shaped, gas-permeable, porous component which is arranged in a region of a first side wall 30 of the process chamber 12, and a slot-shaped second gas inlet 32 which is arranged in the first side wall 30 of the process chamber 12 in a region below the first gas inlet 28. The gas supplied by the gas supply device 26 can be an inert gas, such as argon, nitrogen or the like. The gas is conveyed into the process chamber 12 by means of a suitable conveying device such as a pump or a blower (not shown).
Ferner umfasst die Einrichtung 10 eine Gasabfuhrvorrichtung 34. Die Gasabfuhrvorrichtung 34 dient dazu, Gas, insbesondere Gas, das partikelförmige Verunreinigungen enthält, die in der Prozesskammer 12 bei einer Bestrahlung des Rohstoffpulvers auf dem Träger 14 erzeugt werden, aus der Prozesskammer 12 abzuführen, und umfasst einen Gasauslass 36, der in einer zweiten Seitenwand 38 der Prozesskammer 12 angeordnet ist. Die zweite Seitenwand 38 der Prozesskammer 12 ist gegenüber der ersten Seitenwand 30 angeordnet.Furthermore, the device 10 comprises a gas discharge device 34. The gas discharge device 34 serves to remove gas, in particular gas containing particulate contaminants, which are present in the process chamber 12 during irradiation of the raw material powder on the carrier 14, from the process chamber 12, and comprises a gas outlet 36 which is arranged in a second side wall 38 of the process chamber 12. The second side wall 38 of the process chamber 12 is arranged opposite the first side wall 30.
Der Gasauslass 36 ist mit einer Gasabfuhrleitung 40 verbunden, die wiederum über eine Rezirkulationsleitung (nicht gezeigt) mit der Gaszufuhrvorrichtung 26 verbunden ist, um das über den Gasauslass 36 aus der Prozesskammer 12 austretende Gas über den ersten und den zweiten Gaseinlass 28, 32 in die Prozesskammer 12 zurückzuführen. Um vor dem Rückführen des Gases in die Prozesskammer 12 partikelförmige Verunreinigungen aus dem über den Gasauslass 36 aus der Prozesskammer abgeführten Gas zu entfernen, ist in der Rezirkulationsleitung eine geeignete Filteranordnung (nicht gezeigt) vorhanden. Die Abfuhr von Gas aus der Prozesskammer 12 über den Gasauslass 36 und die Gasabfuhrleitung 40 wird durch ein Ventil 42 gesteuert, das in der Gasabfuhrleitung 40 angeordnet ist.The gas outlet 36 is connected to a gas discharge line 40, which in turn is connected to the gas supply device 26 via a recirculation line (not shown) in order to return the gas exiting the process chamber 12 via the gas outlet 36 into the process chamber 12 via the first and second gas inlets 28, 32. In order to remove particulate contaminants from the gas discharged from the process chamber via the gas outlet 36 before the gas is returned to the process chamber 12, a suitable filter arrangement (not shown) is present in the recirculation line. The discharge of gas from the process chamber 12 via the gas outlet 36 and the gas discharge line 40 is controlled by a valve 42 which is arranged in the gas discharge line 40.
Die Gaszufuhrvorrichtung 26 und die Gasabfuhrvorrichtung 34 sind konfiguriert, um einen Schutzgasstrom F1, F2 in der Prozesskammer 12 zu erzeugen, wobei ein erster Gasstrom F1 von dem ersten Gaseinlass 28 zu dem Gasauslass 36 und ein zweiter Gasstrom F2 von dem zweiten Gaseinlass 32 zu dem Gasauslass 36 strömt. Die Gaszufuhr zur Prozesskammer 12 wird so gesteuert, dass ein Volumenstrom des Gases in die Prozesskammer 12 über den ersten Gaseinlass 28, d. h. ein Volumenstrom des ersten Gasstroms F1, größer als ein Volumenstrom des Gases in die Prozesskammer 12 über den zweiten Gaseinlass 32, d. h. ein Volumenstrom des zweiten Gasstroms F2 ist. Eine Strömungsgeschwindigkeit des ersten Gasstroms F1 ist jedoch kleiner als eine Strömungsgeschwindigkeit des zweiten Gasstroms F2.The gas supply device 26 and the gas discharge device 34 are configured to generate a protective gas flow F1, F2 in the process chamber 12, wherein a first gas flow F1 flows from the first gas inlet 28 to the gas outlet 36 and a second gas flow F2 flows from the second gas inlet 32 to the gas outlet 36. The gas supply to the process chamber 12 is controlled such that a volume flow of the gas into the process chamber 12 via the first gas inlet 28, i.e. a volume flow of the first gas flow F1, is greater than a volume flow of the gas into the process chamber 12 via the second gas inlet 32, i.e. a volume flow of the second gas flow F2. However, a flow velocity of the first gas flow F1 is smaller than a flow velocity of the second gas flow F2.
Der zweite Gasstrom F2 ist zumindest in einem dem zweiten Gaseinlass 32 benachbarten Bereich der Prozesskammer 12 im Wesentlichen parallel zu dem Träger 14 gerichtet und stellt somit sicher, dass in der Prozesskammer 12 bei einer Bestrahlung des Rohstoffpulvers auf dem Träger 14 mit elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung erzeugte partikelförmige Verunreinigungen aus der Prozesskammer 12 gespült werden. Im Gegensatz dazu weist der erste Gasstrom F1 eine von dem Transmissionselement 18 abgewandte Strömungsrichtungskomponente v1 auf, d. h. das der Prozesskammer 12 über den ersten Gaseinlass 28 zugeführte Gas erhöht beim Durchströmen der Prozesskammer 12 nach dem Passieren des Transmissionselements 18 seinen Abstand zu der das Transmissionselement 18 aufnehmenden oberen Wand 24 der Prozesskammer 12. Der erste Gasstrom F1 schützt somit das Transmissionselement 18 vor Kontamination durch Verunreinigungen, beispielsweise Pulverteilchen oder Schweißrauch, die bei der Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung aus dem auf den Träger 14 aufgebrachten Rohstoffpulver aufsteigen.The second gas flow F2 is directed essentially parallel to the carrier 14 at least in a region of the process chamber 12 adjacent to the second gas inlet 32 and thus ensures that particulate contaminants generated in the process chamber 12 when the raw material powder on the carrier 14 is irradiated with electromagnetic radiation or particle radiation are flushed out of the process chamber 12. In contrast, the first gas flow F1 has a flow direction component v1 facing away from the transmission element 18, i.e. the gas supplied to the process chamber 12 via the first gas inlet 28 increases its distance from the upper wall 24 of the process chamber 12 receiving the transmission element 18 as it flows through the process chamber 12 after passing the transmission element 18. The first gas flow F1 thus protects the transmission element 18 from contamination by impurities, for example powder particles or welding fumes, which rise from the raw material powder applied to the carrier 14 when irradiated with electromagnetic radiation or particle radiation.
Da eine Strömungsquerschnittsfläche des Gasauslasses 36 kleiner ist als eine Strömungsquerschnittsfläche der Prozesskammer 12, ist ein in der Prozesskammer 12 herrschender statischer Druck höher als ein statischer Druck, der in der Gasabfuhrvorrichtung 34 stromabwärts des Gasauslasses 36, beispielsweise in der Gasabfuhrleitung 40, vorherrscht. Ein statischer Druck in der Prozesskammer 12 kann beispielsweise etwa 20 mbar betragen, während ein statischer Druck in der Gasabfuhrleitung 40 < 20 mbar betragen kann.Since a flow cross-sectional area of the gas outlet 36 is smaller than a flow cross-sectional area of the process chamber 12, a static pressure prevailing in the process chamber 12 is higher than a static pressure prevailing in the gas discharge device 34 downstream of the gas outlet 36, for example in the gas discharge line 40. A static pressure in the process chamber 12 can be, for example, approximately 20 mbar, while a static pressure in the gas discharge line 40 can be < 20 mbar.
Die Bestrahlung des Rohstoffpulvers auf dem Träger 14 führt Wärme in die Prozesskammer 12 ein. Dadurch nimmt die Temperatur von insbesondere dem zweiten Gasstrom F2 mit zunehmendem Abstand von dem ersten und dem zweiten Gaseinlass 28, 32 zu. In einem an den Gasauslass 36 angrenzenden Bereich der Prozesskammer 12 weist der zweite Gasstrom F2 daher eine Strömungsrichtungskomponente v2 auf, die von dem Träger 14 weg und zur oberen Wand 24 der Prozesskammer 12 hin gerichtet ist. Die aufsteigende Gasströmungskomponente f ist üblicherweise mit partikelförmigen Verunreinigungen beladen, beispielsweise Rohstoffpulverpartikeln und/oder Kondensatpartikeln, die aufgrund der Verdampfung von Rohstoff aus einem Schmelzbad gebildet werden, das durch den auf das Rohstoffpulver auftreffenden Strahlungsstrahl erzeugt wird.The irradiation of the raw material powder on the carrier 14 introduces heat into the process chamber 12. As a result, the temperature of in particular the second gas flow F2 increases with increasing distance from the first and second gas inlets 28, 32. In an area of the process chamber 12 adjacent to the gas outlet 36, the second gas flow F2 therefore has a flow direction component v2 which is directed away from the carrier 14 and towards the upper wall 24 of the process chamber 12. The rising gas flow component f is usually loaded with particulate contaminants, for example raw material powder particles and/or condensate particles which are formed due to the evaporation of raw material from a melt pool which is generated by the radiation beam impinging on the raw material powder.
Die Einrichtung 10 ist daher mit einer Strömungsfalle 44 ausgestattet, die konfiguriert ist, um Gas, das partikelförmige Verunreinigungen enthält, in einem Strömungsfallenbereich 46 einzufangen. In Bezug auf die Strömungsrichtung D des Gases, das über den ersten und den zweiten Gaseinlass 28, 32 in die Prozesskammer 12 eintritt, ist der Strömungsfallenbereich 46 in der Prozesskammer 12 stromabwärts des Transmissionselements 18 angeordnet. Die Strömungsfalle 44 fängt Gas, das partikelförmige Verunreinigungen enthält, insbesondere die verunreinigungsbeladene Gasströmungskomponente f, die im Bereich des Gasauslasses 36 in Richtung der oberen Wand 24 aufsteigt, in dem Strömungsfallenbereich 46 für eine begrenzte oder unbegrenzte Retentionszeit ein, sodass sich die partikelförmigen Verunreinigungen in dem Strömungsfallenbereich 46 ansammeln. Die Strömungsfalle 44 verhindert somit, dass die partikelförmigen Verunreinigungen das Transmissionselement 18 erreichen und somit kontaminieren.The device 10 is therefore equipped with a flow trap 44 configured to trap gas containing particulate contaminants in a flow trap region 46. With respect to the flow direction D of the gas entering the process chamber 12 via the first and second gas inlets 28, 32, the flow trap region 46 is arranged in the process chamber 12 downstream of the transmission element 18. The flow trap 44 traps gas containing particulate contaminants, in particular the contaminant-laden gas flow component f rising in the region of the gas outlet 36 towards the upper wall 24, in the flow trap region 46 for a limited or unlimited retention time, so that the particulate contaminants accumulate in the flow trap region 46. The flow trap 44 thus prevents the particulate contaminants from entering the reach transmission element 18 and thus contaminate it.
Die Strömungsgeschwindigkeit des zweiten Gasstroms F2, der über den zweiten Gaseinlass 32 in die Prozesskammer 12 eintritt, ist beim Durchströmen des zweiten Gaseinlasses 32 höher als eine Strömungsgeschwindigkeit des Gases, das partikelförmige Verunreinigungen enthält, wenn es in dem Strömungsfallenbereich 46 eingefangen ist. Eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit des Gases, das partikelförmige Verunreinigungen enthält, ist hilfreich, um das mit Verunreinigungen beladene Gas in dem Strömungsfallenbereich 46 zu halten.The flow velocity of the second gas stream F2 entering the process chamber 12 via the second gas inlet 32 is higher as it flows through the second gas inlet 32 than a flow velocity of the gas containing particulate contaminants when it is trapped in the flow trap region 46. Reducing the flow velocity of the gas containing particulate contaminants is helpful in keeping the contaminant-laden gas in the flow trap region 46.
In der in
Die Strömungsfalle 44 umfasst ein Abschirmelement 48, das in Bezug auf die Strömungsrichtung D des in die Prozesskammer 12 über den ersten und den zweiten Gaseinlass 28, 32 eintretenden Gases stromabwärts des Transmissionselements 18 angeordnet ist und somit das Transmissionselement 18 von Gas, das partikelförmige Verunreinigungen enthält und das im Strömungsfallenbereich 46 eingefangen ist, abschirmt. Insbesondere grenzt das Abschirmelement 48 den Strömungsfallenbereich 46 von einem dem Transmissionselement 18 benachbarten Bereich der Prozesskammer 12 ab und erhöht somit die Distanz, die Gas und in dem Strömungsfallenbereich 46 enthaltene partikelförmige Verunreinigungen zurücklegen müssen, um das Transmissionselements 18 zu erreichen. Ferner wirkt das Abschirmelement 48 als ein Strömungslenk- oder Strömungsumlenkelement, das die aufsteigende Strömungskomponente f des zweiten Gasstroms F2 derart umlenkt, dass das Gas und die darin enthaltenen partikelförmigen Verunreinigungen in den Strömungsfallenbereich 46 geleitet und schließlich eingefangen werden.The flow trap 44 comprises a shielding element 48 which is arranged downstream of the transmission element 18 with respect to the flow direction D of the gas entering the process chamber 12 via the first and second gas inlets 28, 32 and thus shields the transmission element 18 from gas containing particulate contaminants and which is trapped in the flow trap region 46. In particular, the shielding element 48 delimits the flow trap region 46 from a region of the process chamber 12 adjacent to the transmission element 18 and thus increases the distance that gas and particulate contaminants contained in the flow trap region 46 must travel to reach the transmission element 18. Furthermore, the shielding element 48 acts as a flow directing or flow diverting element which diverts the ascending flow component f of the second gas flow F2 such that the gas and the particulate contaminants contained therein are guided into the flow trap region 46 and ultimately captured.
Das Abschirmelement 48 umfasst einen ersten Rand, der mit einer Wand, insbesondere der oberen Wand 24 der Prozesskammer 12 verbunden ist, und einen zweiten Rand, der dem ersten Rand gegenüberliegend angeordnet ist und einem Innenraum der Prozesskammer 12 zugewandt ist. Somit ragt das Abschirmelement 48 von einer Wand, insbesondere der oberen Wand 24 der Prozesskammer 12 in den Innenraum der Prozesskammer 12 hinein. Ferner ist das Abschirmelement 48 bezüglich der Strömungsrichtung D des über den ersten und den zweiten Gaseinlass 28, 32 in die Prozesskammer 12 eintretenden Gases derart geneigt, dass der zweite Rand des Abschirmelements 48 in Bezug auf die Strömungsrichtung D des über den ersten und den zweiten Gaseinlass 28, 32 in die Prozesskammer 12 eintretenden Gases stromabwärts des ersten Randes des Abschirmelements 48 angeordnet ist.The shielding element 48 comprises a first edge which is connected to a wall, in particular the upper wall 24 of the process chamber 12, and a second edge which is arranged opposite the first edge and faces an interior of the process chamber 12. The shielding element 48 thus projects from a wall, in particular the upper wall 24 of the process chamber 12, into the interior of the process chamber 12. Furthermore, the shielding element 48 is inclined with respect to the flow direction D of the gas entering the process chamber 12 via the first and second gas inlets 28, 32 such that the second edge of the shielding element 48 is arranged downstream of the first edge of the shielding element 48 with respect to the flow direction D of the gas entering the process chamber 12 via the first and second gas inlets 28, 32.
In der Anordnung von
Die Einrichtung 10 umfasst ferner ein Strömungsumlenkelement 50, das konfiguriert ist, um einen Gasstrom, der partikelförmige Verunreinigungen enthält, insbesondere die verunreinigungsbeladene Gasströmungskomponente f, die im Bereich des Gasauslasses 36 in Richtung der oberen Wand 24 aufsteigt, in eine Richtung des Strömungsfallenbereichs 46 und/oder eine Richtung des Gasauslasses 36 der Gasabfuhrvorrichtung 40 umzulenken. Bezogen auf die Strömungsrichtung D des in die Prozesskammer 12 über den ersten und den zweiten Gaseinlass 28, 32 eintretenden Gases ist stromabwärts des Transmissionselements 18 angeordnet. In der in
Das Strömungsumlenkelement 50 umfasst einen ersten Abschnitt 52, der konfiguriert ist, um einen Gasstrom, der partikelförmige Verunreinigungen enthält, insbesondere die verunreinigungsbeladene Gasströmungskomponente f, die in dem Bereich des Gasauslasses 36 in Richtung der oberen Wand 24 aufsteigt, in Richtung des Strömungsfallenbereichs 46 zu leiten. Der erste Abschnitt 52 umfasst einen ersten Rand, der mit der zweiten Seitenwand 38 der Prozesskammer 12 verbunden ist, und einen zweiten Rand, der dem ersten Rand gegenüberliegend angeordnet und dem Innenraum der Prozesskammer 12 zugewandt ist. Der erste Abschnitt 52 ist bezüglich der Strömungsrichtung D des über den ersten und zweiten Gaseinlass 28, 32 in die Prozesskammer 12 eintretenden Gases geneigt, sodass der erste Rand in Bezug auf die Strömungsrichtung D des über den ersten und den zweiten Gaseinlass 28, 32 in die Prozesskammer 12 eintretenden Gases stromabwärts des zweiten Randes angeordnet ist.The flow deflection element 50 comprises a first section 52 which is configured to direct a gas flow containing particulate contaminants, in particular the contaminant-laden gas flow component f which rises in the region of the gas outlet 36 towards the upper wall 24, towards the flow trap region 46. The first section 52 comprises a first edge connected to the second side wall 38 of the process chamber 12, and a second edge arranged opposite the first edge and facing the interior of the process chamber 12. The first section 52 is inclined with respect to the flow direction D of the gas entering the process chamber 12 via the first and second gas inlets 28, 32, so that the first edge is arranged downstream of the second edge with respect to the flow direction D of the gas entering the process chamber 12 via the first and second gas inlets 28, 32.
Ferner umfasst das Strömungsumlenkelement 50 einen zweiten Abschnitt 54, der konfiguriert ist, um einen Gasstrom, der partikelförmige Verunreinigungen enthält, insbesondere eine Strömungskomponente f' des zweiten Gasstroms F2, der im Bereich des Gasauslasses 36 noch im Wesentlichen parallel zu dem Träger 14 strömt, in Richtung des Gasauslasses 36 der Gasabfuhrvorrichtung 40 zu leiten. Der zweite Abschnitt 54 umfasst einen ersten Rand, der mit der zweiten Seitenwand 38 der Prozesskammer 12 verbunden ist, und einen zweiten Rand, der dem ersten Rand gegenüberliegend angeordnet und dem Innenraum der Prozesskammer 12 zugewandt ist. Der zweite Abschnitt 54 ist bezüglich der Strömungsrichtung D des über den ersten und zweiten Gaseinlass 28, 32 in die Prozesskammer 12 eintretenden Gases geneigt, sodass der erste Rand in Bezug auf die Strömungsrichtung D des über den ersten und zweiten Gaseinlass 28, 32 in die Prozesskammer 12 eintretenden Gases stromabwärts des zweiten Randes angeordnet ist.Furthermore, the flow deflection element 50 comprises a second section 54 which is configured to guide a gas flow containing particulate contaminants, in particular a flow component f' of the second gas flow F2, which still flows substantially parallel to the carrier 14 in the region of the gas outlet 36, in the direction of the gas outlet 36 of the gas removal device 40. The second section 54 comprises a first edge which is connected to the second side wall 38 of the process chamber 12 and a second edge which is arranged opposite the first edge and faces the interior of the process chamber 12. The second section 54 is inclined with respect to the flow direction D of the gas entering the process chamber 12 via the first and second gas inlets 28, 32, so that the first edge is arranged downstream of the second edge with respect to the flow direction D of the gas entering the process chamber 12 via the first and second gas inlets 28, 32.
Das Strömungsumlenkelement 50 umfasst auch einen dritten Abschnitt 56, der sich im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung D des über den ersten und zweiten Gaseinlass 28, 32 in die Prozesskammer 12 eintretenden Gases erstreckt und im Wesentlichen parallel zu der zweiten Seitenwand 38 der Prozesskammer 12 erstreckt. Ferner erstreckt sich der dritte Abschnitt 56 zwischen dem zweiten Rand des ersten Abschnitts 52 und dem zweiten Rand des zweiten Abschnitts 54.The flow deflection element 50 also comprises a third section 56 which extends substantially perpendicular to the flow direction D of the gas entering the process chamber 12 via the first and second gas inlets 28, 32 and extends substantially parallel to the second side wall 38 of the process chamber 12. Furthermore, the third section 56 extends between the second edge of the first section 52 and the second edge of the second section 54.
Das Strömungsumlenkelement 50 kann durch einen zweiten Strömungsfallenbereich ersetzt werden. Ferner kann das Strömungsumlenkelement 50 eine abgerundete und/oder gewölbte Struktur aufweisen. Zum Beispiel kann das Strömungsumlenkelement 50 ein gebogenes Blechmaterial umfassen oder dadurch definiert sein, oder durch einen gewölbten Abschnitt der zweiten Seitenwand 38 der Prozesskammer 12 definiert sein.The flow diverting element 50 may be replaced by a second flow trap region. Furthermore, the flow diverting element 50 may have a rounded and/or curved structure. For example, the flow diverting element 50 may comprise or be defined by a bent sheet material, or may be defined by a curved portion of the second side wall 38 of the process chamber 12.
Die Einrichtung 10 umfasst auch ein Kühlelement 58, das konfiguriert ist, um partikelförmige Verunreinigungen enthaltendes Gas, das in dem Strömungsfallenbereich 46 eingefangen ist, zu kühlen. In der Einrichtung 10 von
Ein zweites Ende der Verbindungsvorrichtung 62 kann offen sein oder beispielsweise mit einem Sammelbehälter (nicht gezeigt) verbunden sein, der konfiguriert ist, um das Gas und insbesondere die aus dem Strömungsfallenbereich 46 entfernten partikelförmigen Verunreinigungen aufzunehmen. In der Anordnung von
In der Verbindungsvorrichtung 62, insbesondere dem Rohr 66, ist ein Ventil 68 angeordnet, um die Entfernung von Gas, das teilchenhaltigen Verunreinigungen enthält, aus dem Strömungsfallenbereich 46 in die Gasabfuhrvorrichtung 36 nach Bedarf zu ermöglichen oder zu unterbinden. Eine Strömungsquerschnittsfläche der Verbindungsvorrichtung 62 ist kleiner als eine Querschnittsfläche der Gasabfuhrvorrichtung 36 stromabwärts des Gasauslasses 36, d. h. der Gasabfuhrleitung 14, so dass die Abfuhr von Gas, das partikelförmige Verunreinigungen enthält, aus dem Strömungsfallenbereich 46 in die Gasabfuhrvorrichtung 36 durch den Venturi-Effekt induziert oder zumindest gefördert werden kann. Eine Länge des Rohrs 66 kann so gewählt werden, dass die Druckdifferenz zwischen der Verbindungsvorrichtung 62 und der Gasabfuhrvorrichtung 36 stromabwärts des Gasauslasses 36 erhöht wird und so ein potenzieller Stillstand an der Kante des Rohrs 66 kompensiert wird.A valve 68 is arranged in the connecting device 62, in particular the pipe 66, to enable or prevent the removal of gas containing particulate contaminants from the flow trap region 46 into the gas discharge device 36 as required. A flow cross-sectional area of the connecting device 62 is smaller than a cross-sectional area of the gas discharge device 36 downstream of the gas outlet 36, ie the gas discharge line 14, so that the discharge of gas containing particulate contaminants from the flow trap region 46 into the gas discharge device 36 can be induced or at least promoted by the Venturi effect. A length of the tube 66 can be selected such that the pressure difference between the connecting device 62 and the gas discharge device 36 is increased downstream of the gas outlet 36 and thus a potential standstill at the edge of the tube 66 is compensated.
Im Übrigen entsprechen die Struktur und die Funktion der in
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 3321003 B1 [0004]EP 3321003 B1 [0004]
- EP 3321003 [0012]EP3321003 [0012]
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